盧 瑩， 張建功， 干喆淵， 趙志斌

(1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206； 2. 電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (中國電力科學(xué)研究院武漢分院)，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對周邊電磁環(huán)境有嚴(yán)格要求的特高頻無線電臺站(如用于模擬電視及數(shù)碼電視廣播臺站、軍用航空雷達(dá)等)大量涌現(xiàn)，具有大尺寸金屬結(jié)構(gòu)的特高壓輸電線路對這些臺站的無源干擾問題成為研究熱點(diǎn)[1～3]。

對空情報雷達(dá)是用于搜索、監(jiān)視與識別空中目標(biāo)并確定其坐標(biāo)和運(yùn)動參數(shù)的雷達(dá)，也稱對空搜索雷達(dá)[4]。它所提供的情報，主要用于對空警戒、引導(dǎo)殲擊機(jī)截敵方航空兵器和為防空武器系統(tǒng)指示目標(biāo)，也用于保證飛行訓(xùn)練和飛行管制，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中獲取空中目標(biāo)情報的重要電子技術(shù)裝備。

本文首先對交流特高壓輸電線路的有源干擾進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究輸電線路正常運(yùn)行時，線路電暈導(dǎo)致的無線電干擾對其附近的對空情報雷達(dá)有源影響問題，提出了1 000 kV交流特高壓輸電線路與對空情報雷達(dá)站的有源干擾防護(hù)距離建議值。然后對交流特高壓線路的無源干擾進(jìn)行分析，主要研究特高壓輸電線路的塔、線對對空情報雷達(dá)的距離探測性能影響，綜合陣地反射面影響、遮蔽影響和二次輻射回波干擾影響，提出了交流特高壓輸電線路與對空情報雷達(dá)站的無源干擾防護(hù)距離建議。

1 輸電線路與對空雷達(dá)站的有源干擾防護(hù)

從原理上講，雷達(dá)的工作頻率沒有限值。適用雷達(dá)的工作頻率已經(jīng)從高頻頻段(3 MHz～30 MHz)擴(kuò)展到毫米波段(30 GHz～300 GHz)。本文研究的對空情報雷達(dá)為我國目前常用的型號，頻率為80 MHz～3 000 MHz，可分為80 MHz～300 MHz和300 MHz～3 000 MHz兩個頻段。GB13618-1992《對空情報雷達(dá)站電磁環(huán)境防護(hù)要求》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)1》)中給出了防護(hù)間距定義及防護(hù)間距限值[5]。表1給出了不同電壓等級的架空電力線路與對空情報雷達(dá)站間的防護(hù)間距，當(dāng)不能滿足表1要求或者特殊情況，可按照對空情報雷站的電磁環(huán)境防護(hù)準(zhǔn)則來計算。電磁環(huán)境防護(hù)準(zhǔn)則所考慮的高壓架空輸電線、變電站干擾影響主要來自于兩個方面：一是高壓架空輸電線、變電站等在帶電運(yùn)行時會產(chǎn)生無線電干擾；二是高壓架空輸電線、塔等設(shè)施作為障礙物，如果距離雷達(dá)站過近，會破壞雷達(dá)陣地反射面的要求，使雷達(dá)波瓣變形，進(jìn)而影響探測性能。另外，高壓架空輸電線、塔等設(shè)施還會對雷達(dá)造成一定的遮蔽角或電磁波衰減，從而有可能使雷達(dá)遺漏目標(biāo)或探測距離降低。因此，在考慮它們與對空情報雷達(dá)站的兼容時，應(yīng)從以上幾個方面綜合進(jìn)行研究和分析。按《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的原則和GJBZ20195-93即《軍用地面雷達(dá)陣地選擇規(guī)范》[6](以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)2》)中對雷達(dá)陣地反射面的要求，可分別計算出雷達(dá)對特高壓架空輸電線的防護(hù)間距，取較大者為最終防護(hù)間距值。

表1 架空輸電線路與對空情報雷達(dá)站的防護(hù)間距

對于高壓輸電線路在30 MHz以上的無線電干擾水平，主要來自鐵塔、絕緣子串、金屬器具等部位火花放電等偶然因素，目前沒有有效的計算預(yù)測辦法，只有通過實(shí)測進(jìn)行研究。

測量儀器使用SCHWARZBECK公司9 k～3 000 MHz接收機(jī)，配套30 MHz～300 MHz寬帶雙錐天線和200 MHz～1 000 MHz頻段的對數(shù)周期天線。在測量中分別測量了天線在垂直極化和水平極化兩個方向上的無線電干擾準(zhǔn)峰值。

由于30 MHz以上的無線電干擾水平很低，采用了在試驗(yàn)線段帶電與不帶電情況下進(jìn)行比較測量的方法，線段不帶電情況下測得的數(shù)據(jù)為背景無線電噪聲，通過比較得出此頻段交流特高壓輸電線路的無線電干擾是否顯著。圖1給出了實(shí)測的30 MHz～1 000 MHz頻段無線電干擾準(zhǔn)峰值頻譜分布統(tǒng)計結(jié)果。圖2給出了天線在垂直極化和水平極化兩個方向上的無線電干擾水平比較。

圖1 30 MHz～1 000 MHz頻段無線電干擾準(zhǔn)峰值頻譜

圖2 天線極化方向?qū)y量結(jié)果的影響

雷達(dá)一般工作在超短波及以上波段，因此主要受高頻噪聲脈沖的影響。雷達(dá)受噪聲干擾致威力降低的機(jī)理如下：來自輸電線路上的干擾噪聲進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)后疊加在機(jī)內(nèi)噪聲之上，降低信噪比，造成雷達(dá)對目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的降低，此時如要保持相同的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率，必須提高最小可檢測信號的功率，但這將使雷達(dá)的探測距離縮小。

由于30 MHz～1 000 MHz頻段無線電干擾水平總體較低，為克服背景噪聲對其影響[7～10]，在試驗(yàn)中采用了帶電與不帶電情況下進(jìn)行比較測量的方法，線段不帶電情況下測得的數(shù)據(jù)為背景無線電噪聲，通過比較得出此頻段交流特高壓輸電線路的無線電干擾是否顯著。

圖3和圖4為兩次典型的比較測量結(jié)果，兩次測量都在晴好天氣進(jìn)行，測量結(jié)果沒有分辨出帶電前后無線電干擾水平有明顯一致性差異。因此只能說明特高壓線路在該頻段的無線電干擾水平較低，完全淹沒在背景無線電噪聲中[11～13]，而背景無線電噪聲主要由空間輻射和氣象活動等不穩(wěn)定因素造成，呈現(xiàn)在一個小范圍內(nèi)的無規(guī)律波動。

圖3 帶電前后的無線電干擾水平比較I(垂直極化)

圖4 帶電前后的無線電干擾水平比較II(垂直極化)

通過紫外成像儀對試驗(yàn)線段的鐵塔、絕緣子串、金屬器具等部位進(jìn)行的觀測也沒有明顯發(fā)現(xiàn)存在火花放電的部位(這是針對具體實(shí)測對象作出的觀測)。

測量結(jié)果表明特高壓輸電線路產(chǎn)生的有源無線電干擾與背景噪聲差異很小，因此對工作頻率在80 MHz以上的雷達(dá)影響很小，防護(hù)間距可沿用500 kV輸電線路的有源防護(hù)間距，即雷達(dá)工作頻率為80 MHz～300 MHz時的防護(hù)距離是1 600 m；雷達(dá)達(dá)工作頻率為300 MHz～3 000 MHz時的防護(hù)距離是1 000 m。

2 輸電線路與對空雷達(dá)站的無源干擾分析

輸電線路對雷達(dá)的無源干擾主要表現(xiàn)在3個方面：

(1)輸電線路線、塔等障礙物對雷達(dá)電磁波的二次輻射可對雷達(dá)產(chǎn)生固定的干擾回波；

(2)輸電線或變電站等地面設(shè)施距雷達(dá)某一距離時，在這一方位可能破壞了雷達(dá)陣地的有效反射面，影響雷達(dá)的探測性能的發(fā)揮；

(3)輸電線或變電站的地面設(shè)施的方位對雷達(dá)發(fā)射的電磁波可能產(chǎn)生遮蔽損耗。

對于米波段雷達(dá)，從天線輻射到空間某一點(diǎn)的電場強(qiáng)度是直射波和地面反射波的向量和，其探測性能與雷達(dá)陣地有關(guān)，地面反射波的路徑不應(yīng)被地物所阻擋。按《標(biāo)準(zhǔn)2》中要求，對于米波雷達(dá)，不同仰角上的探測威力可用下式描述：

r=R0·F(α)·

(1)

式中：R0為雷達(dá)自由空間標(biāo)稱距離；F(α)為雷達(dá)天線的垂直方向系數(shù)；D、R、φ分別表示地面擴(kuò)散系數(shù)、地面反射系數(shù)和反射波滯后相位；h為雷達(dá)天線高度；λ為雷達(dá)工作波長。

當(dāng)?shù)孛鏋槔硐敕瓷錀l件時，根號下各項(xiàng)之和在某一仰角時最大接近于4，開方后即在一定的仰角時雷達(dá)探測距離可增大近1倍?？梢娎走_(dá)天線周圍地形對雷達(dá)探測性能有極大影響。這一地域的大小常按雷達(dá)第一波瓣中心仰角所要求的菲涅耳區(qū)來計算。

這一地域?yàn)橐粰E圓，如圖5所示。它的長半軸a、短半軸b、橢圓中心x0與雷達(dá)天線高度h、工作波長λ、目標(biāo)仰角α的關(guān)系如下：

(2)

(3)

式中：h為雷達(dá)天線的中心高度；λ為雷達(dá)工作波長；α為天線垂直面上的仰角。

圖5 第一波瓣中心仰角的非涅耳區(qū)

則第一波瓣仰角所要求的地面最遠(yuǎn)反射距離Dmax，最近反射距離Dmin分別為：

(4)

(5)

(6)

(7)

幾何反射中心與雷達(dá)的距離為：

(8)

將α1的表達(dá)式代入(8)式則得：

(9)

由此可知，各反射點(diǎn)距離都與天線高度h的平方成正比，與波長λ成反比。根據(jù)《電磁學(xué)》知識可知：不同距離段天線所照射的電磁能量密度并不相同，60%以上的能量集中在幾何反射中心點(diǎn)附近。因此，在考慮地面障礙物對雷達(dá)探測性能的影響時可按雷達(dá)的幾何反射點(diǎn)d0計算。按較嚴(yán)格要求取雷達(dá)工作頻率為300 MHz，天線中心高度取 10 m，代入式(6)(7)(9)可得：Dmax= 2 330 m、Dmin=70 m、d0=400 m，米波雷達(dá)對特高壓輸電線路的防護(hù)間距為2 330 m。

圖6 輸電線路對反射波遮擋示意圖

3 輸電線路對雷達(dá)影響的模擬試驗(yàn)

考慮到輸電線、塔本身比較高大，進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)難以操作，故這里采用“縮尺比”法進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

在“短波頻段內(nèi)±800 kV 直流輸電線路對無線電臺站的無源干擾”的基礎(chǔ)上，本文設(shè)置的參數(shù)如下，試驗(yàn)原型為“鼓型”鐵塔，模型的縮比比例為30∶1，塔高約100 m(試驗(yàn)中100/30 m)，輸電線路采用8分裂雙回路形式，導(dǎo)線分裂間距為400/30 mm，導(dǎo)線型號為8×LGJ-500/35的鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線半徑為16/30 mm，檔距500/30 m。地線為鋼芯鋁絞線，其接地電阻不大于15 Ω。試驗(yàn)時選擇3檔距4塔模型進(jìn)行試驗(yàn)。

發(fā)射天線與接收天線采用工作頻段為1～18 GHz的雙脊喇叭天線，其平均增益為11.3 dB，阻抗 50 Ω，最大功率300 W，峰值功率500 W。發(fā)射信號源功率采用E8257D最大輸出功率為10 dBm，最高工作頻率40 GHz。接收機(jī)采用E4408B頻譜分析儀，其工作頻段為9 kHz～26.5 GHz。信號源及發(fā)射天線與頻譜儀及接收天線分別位于輸電線、塔的兩邊，信號源與發(fā)射天線連接，頻譜儀與接收天線連接。試驗(yàn)布置圖見圖7。

圖7 試驗(yàn)布置圖

其中，D1為發(fā)射天線與塔線模型的距離，單位：m；D2為接收天線與塔線模型的距離，單位：m；h1為發(fā)射天線高度，單位：m；H為塔線模型高度，單位：m；h2為接收天線高度，單位：m；α為發(fā)射天線與障礙物最高端切線仰角，單位：度；β為收發(fā)天線連線與水平線之間的仰角，單位：度。

主要參數(shù)設(shè)置如下：在考慮發(fā)射源功率和接收距離的基礎(chǔ)上，確定發(fā)射天線與接收天線之間間距即(D1+D2)為100 m，測試頻點(diǎn)選擇3 GHz、7 GHz和12 GHz。試驗(yàn)步驟如下。

(1)測試電磁波在自由空間中的傳播特性

選擇開闊場地，按間隔100 m固定發(fā)射天線與接收天線，發(fā)射天線架高1.5 m；發(fā)射信號頻率分別設(shè)置為3 GHz、7 GHz和12 GHz時，記錄接收天線分別架高2.1 m、2.5 m、3 m、6 m時頻譜儀顯示的功率示數(shù)。

(2)測試鐵塔對電磁波傳播特性的影響

保持頻譜儀設(shè)置參數(shù)、信號源輸出功率不變，接收天線、發(fā)射天線設(shè)置位置不變，將鐵塔模型分別架設(shè)在距發(fā)射天線70 m、50 m、30 m、10 m位置處，接收天線對應(yīng)架設(shè)高度分別為2.1 m、2.5 m、3 m、6 m，讀取頻譜儀顯示的功率示數(shù)。

(3)測試鐵塔、輸電線路同時存在時，對電磁波傳播特性的影響

保持頻譜儀設(shè)置參數(shù)、信號源輸出功率不變，接收天線、發(fā)射天線位置的設(shè)置不變，將裝配好后的鐵塔、輸電線模型分別設(shè)置在距發(fā)射天線70 m、50 m、30 m、10 m位置處，記錄頻譜儀顯示的功率示數(shù)。

測試結(jié)果表明，在發(fā)射頻率為12 GHz時，只有鐵塔時對接收信號的衰減比有塔有線時大，原因是在進(jìn)行鐵塔衰減試驗(yàn)時，鐵塔正面與發(fā)射、接收天線相對，進(jìn)行有塔有線試驗(yàn)時，鐵塔最小面與發(fā)射、接收天線相對，產(chǎn)生上述結(jié)果。從測試結(jié)果看，輸電線路主要是線路的影響，鐵塔對信號的傳輸影響較小。換言之，高壓架空輸電線路對信號傳播的影響，主要是分裂導(dǎo)線的影響，而塔的影響可以忽略。其主要原因是塔的實(shí)際尺寸對發(fā)射構(gòu)成的屏蔽角小于臨界無屏蔽張角。

4 結(jié)論

綜上所述，對于對空情報雷達(dá)站，保護(hù)間距的計算是根據(jù)有源和無源干擾分別進(jìn)行計算的，計算的結(jié)果會有差別，保護(hù)間距的最終確定的原則是選擇兩者中較大的保護(hù)間距，這樣地面雷達(dá)對 1 000 kV級特高壓輸電線路的防護(hù)既可滿足有源干擾防護(hù)間距，又可滿足無源干擾防護(hù)間距。實(shí)測表明特高壓輸電線路在雷達(dá)工作的80 MHz以上的無線電干擾水平很低，基本淹沒于背景無線電干擾噪聲中，即使從嚴(yán)考慮也不會超過目前的500 kV輸電線路。雷達(dá)對特高壓輸電線路的有源干擾防護(hù)間距可按《標(biāo)準(zhǔn)1》中對500 kV輸電線路防護(hù)間距要求執(zhí)行，特高壓輸電線路與無線電臺站間防護(hù)距離為1 600 m。

對于米波段雷達(dá)，從天線輻射到空間某一點(diǎn)的電場強(qiáng)度是直射波和地面反射波的向量和，其探測性能與雷達(dá)陣地有關(guān)，地面反射波的路徑不應(yīng)被地面障礙物所阻擋，在菲涅耳區(qū)內(nèi)外一定距離時對雷達(dá)天線輻射的直射波和地面反射波也可能產(chǎn)生遮蔽影響。目前經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展，土地資源稀缺，輸電線路走廊與雷達(dá)站的建設(shè)尋址已非常困難，因此會出現(xiàn)難以滿足表1要求的情況。本文從科研角度分別從有源干擾和無源干擾防護(hù)出發(fā)所推導(dǎo)的防護(hù)間距，考慮到目前土地資源稀缺，輸電線路走廊與雷達(dá)站的建設(shè)尋址已非常困難的情況，認(rèn)為采用1 000 kV特高壓單回輸電線路時，其防護(hù)間距為2 400 m比較合適。如果雷達(dá)陣地架設(shè)高度顯著的高于輸電線路導(dǎo)線平均高度，則米波雷達(dá)滿足有效反射面的防護(hù)距離2 400 m,其余雷達(dá)滿足有源干擾防護(hù)距離1 600 m即可。但關(guān)于 1 000 kV交流特高壓輸電線路與對空雷達(dá)臺站的保護(hù)間距最終確定，還需要與雷達(dá)臺站管理部門協(xié)商決定。在具體實(shí)施中如難以保證防護(hù)間距，可在保證主要責(zé)任區(qū)方向滿足上述要求情況下，其它區(qū)域協(xié)商解決。